Themen für Arbeiten

Am Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik sind verschiedenste Themen für Hauptseminar-, Projekt-, Bachelor und Masterarbeiten zu vergeben. Die Arbeiten richten sich an Studierende der Fachrichtungen Werkstoffingenieurwesen, Rohstoffingenieurwesen, Umweltingenieurwesen, Wirtschaftsingenieurwesen, Maschinenbau/Verfahrenstechnik, Physik oder Informatik. Die Arbeiten können in der Regel durch Aufteilung der Themengebiete sowohl als kleinere Arbeiten (Bachelor, Seminar-/Projektarbeit) wie auch als Masterarbeit angefertigt werden.

Arbeitsgruppe Industrieofentechnik

letzte Aktualisierung: 08.11.2019
Inbetriebnahme und Parameterstudie an einem Versuchsstand zur Bestimmung der Strömung bzw. Wasserbeaufschlagungsdichte

Die Produktion von hochfestem metallischem Bandmaterial erfordert eine rasche Abkühlung des Materials während der Wärmebehandlung. Die benötigten Abkühlraten können häufig nur mit Hilfe von Wasserkühlungen erreicht werden. Dazu werden Sprühdüsen verwendet, die das Wasser zerstäuben bevor damit die Bandoberfläche beaufschlagt wird. Durch diese Wasserbeaufschlagung entsteht eine komplexe Strömung auf der Bandoberfläche, die die Wärmeabfuhr aus dem Band beeinträchtigt. Damit keine Temperaturinhomogenitäten entstehen, die wiederrum zu Wellen und Beulen führen können, muss die Strömung auf der Oberfläche so gezielt wie möglich eingestellt werden. Allerdings ist eine genaue Kenntnis der Strömung auf der Bandoberfläche im Sprühdüsenfeld aktuell nicht vorhanden.
Zur optischen Bestimmung der Strömung in Sprühdüsenfeldern auf Bandoberflächen steht am IOB ein experimenteller Versuchsstand zur Verfügung. Aktuell wird dieser Versuchsstand erweitert, um neben der Strömung auch die Beaufschlagungsdichte von Sprühdüsen bzw. Sprühdüsenfeldern zu bestimmen. Die Beaufschlagungsdichte ist eine wichtige Kenngröße zur Beschreibung von Düsenfeldern.
In dieser Arbeit soll der erweiterte Versuchsstand in Betrieb genommen werden. Dazu werden zunächst Vorversuche durchgeführt, um die vollständige Funktionalität des Versuchsstands zu gewährleisten. Anschließend soll ein einfaches Messprogramm zur Bestimmung der Beaufschlagungsdichte entwickelt werden. Auf Basis dieses Messprogramms werden Versuchsreihen durchgeführt bei denen verschiedene Parameter variiert werden. Im Rahmen dieser Versuche wird sowohl die Strömung mit optischen Methoden als auch die Beaufschlagungsdichte bestimmt. Abschließend werden die gewonnenen Daten korreliert.

PDF: Inbetriebnahme und Parameterstudie an einem Versuchsstand zur Bestimmung der Strömung bzw. Wasserbeaufschlagungsdichte

Kontakt: Hof

CO2-neutrale Prozesswärmeerzeugung in der (Metall-)Industrie

Im Rahmen des Klimaschutzplans 2050 der Bundesregierung sollen die Treibhausgasemissionen in Deutschland bis 2050 um 80 bis 95% unter das Niveau von 1990 gesenkt werden. Dies erfordert eine weitreichende Dekarbonisierung, wofür der Beitrag der Industrie in Form von stark reduzierten Emissionen unabdingbar ist.

Die Erzeugung von Prozesswärme in Thermoprozessanlagen ist sehr anwendungsspezifisch und richtet sich nach den besonderen Gegebenheiten und Anforderungen der unterschiedlichen Produktionsprozesse. Nach dem Stand der Wissenschaft existieren bisher nur vereinzelt Lösungsansätze zur Verwendung von Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen im Bereich Industrieofentechnik.

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Stand der Technik der Prozesswärmeerzeugung einer einzelnen Branche ermittelt und anschließend auf Dekarbonisierungs- und Hybridisierungspotentiale untersucht. Dabei werden anlagenspezifischer Restriktionen mit dem notwendigen technischen Sachverstand berücksichtigt.

Im ersten Schritt erfolgt die Ermittlung und Beschreibung des aktuellen Standes der Technik für Prozesswärmeerzeugung für einen Bereich/Sektor. Die folgenden Bereiche/Sektoren stehen dabei zur Auswahl:

  • Gießereiindustrie (Eisen, Stahl und NE)
  • NE-Metallindustrie (ohne elektrolytische Verfahren) und NE-Walzwerke
  • Wärme- und Glühöfen Stahl-Walzwerke
  • Schmiedeindustrie (Massivumformung inkl. Pressen)
  • Härtereitechnik (Wärmebehandlung)
  • Glasindustrie inkl. Glasfaser
  • Zementindustrie
  • Kalk
  • Keramik inkl. Ziegel

Dies beinhaltet eine detaillierte Erfassung der branchenspezifischen Prozessketten inkl. der wesentlichen Material-, Stoff- und Energieflüsse sowie zeitliche Verläufe der Prozesse und Tages- und Jahreslaufdauern der Thermoprozessanlagen. Dazu werden Fließbilder erstellt, siehe Abbildung, die um die zuvor genannten, relevanten Prozessdaten ergänzt werden.

Nach Erfassung des Stands der Technik erfolgt die Ermittlung von Dekarbonisierungs- und Hybridisierungspotentialen für den gewählten Bereich. Die spezifische Anlagentechnik wird dazu mit dem Schwerpunkt der strombasierten Verfahren (Power-to-Heat) sowie hybrider/bivalenter Prozesswärme-Systeme in einer Anlage dargestellt. Hybride/bivalente Prozesswärmesysteme beschreiben die Kombinationen aus strombasierten Verfahren und Prozesswärmeerzeugung unter Verwendung von synthetischen (Power to Liquid/Gas) Brennstoffen.

Der Umfang der Arbeit wird an die jeweilige in der Prüfungsordnung vorgesehene Arbeitszeit angepasst.

PDF: CO2-neutrale Prozesswärmeerzeugung in der (Metall-)Industrie

Kontakt: Scheck

Experimentelle Untersuchungen des Wärmeübergangskoeffizienten für die Schnellkühlung von Bandmaterialien

Zur Effizienzsteigerung im Automotive Bereich werden in der Karosserie Bandmaterialen mit hochfesten Eigenschaften eingesetzt. Dazu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften hohe Abkühlraten. Die Abkühlung erfolgt meistens durch konvektiven Wärmeübergang. Gasströmungen bieten dabei maximale Temperaturhomogenität bei gleichzeitig hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Zur Erzeugung des Wärmeüberganges wird ein Gas durch einen Ventilator über ein Düsensystem auf das Halbzeug geleitet. Neben der primären Aufgabe des Bandkühlens übernehmen die Düsensysteme weitere Aufgaben wie das aerodynamische Tragen des Bandes. Als Düsen werden daher beliebige Kombinationen aus Rund- und Schlitzdüsen verwendet.

In dieser Arbeit werden Wärmeübergangskoeffizienten experimentell untersucht. Auf widerstandsbeheizten Proben bildet sich aufgrund der Prallströmung eine Temperaturverteilung aus. Diese Temperaturverteilung wird mit einer Infrarotkamera aufgenommen. Aus dem Temperaturfeld kann mittels Energiebilanzierung der Wärmeübergangskoeffizient berechnet werden. Der vorhandene Versuchsaufbau hat eine industrienahe Dimension wodurch sich die Ergebnisse gut auf die Praxis übertragen lassen. Es wird eine Parameterstudie an Düsenfeldern durchgeführt um empirische Formeln zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten zu verbessern. Dazu wird die Düsenanordnung, die Fluidgeschwindigkeit und der Bandabstand variiert.

PDF: Experimentelle Untersuchungen des Wärmeübergangskoeffizienten für die Schnellkühlung von Bandmaterialien

Kontakt: Schleupen

Untersuchung des mechanischen Bandverhaltens bei der Abkühlung metallischer Bänder

Aus prozesstechnischer Sicht ist die Aufgabenstellung in der Wärmebehandlung die sichere Kontrolle des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlmedium und der zu kühlenden Oberfläche. Dieser muss zeitlich und örtlich definiert betrachtet werden. Insbesondere für Strukturwerkstoffe aus Stahl oder Aluminium werden hohe Abkühlraten benötigt, um die geforderten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Werden metallische Bänder mit hohen Geschwindigkeiten abgekühlt, entstehen durch gekoppelte thermische und metallphysikalische Prozesse Spannungen, die ab kritischen Bedingungen zur Bandverformung führen. Diese Verformung äußert sich in Form von Falten und Beulen auf dem Halbzeug und führt im schlimmsten Fall zum Ausschuss des Produktes. Die Wärmebehandlung ist einer der letzten Schritte in der Wertschöpfungskette von metallischen Halbzeug, weswegen Ausschuss in diesen Bereichen ökonomisch besonders zu vermeiden ist. Aktuelle Werkstoffentwicklungen fordern höchste Abkühlraten und sind durch die hohen Festigkeiten schwieriger zu richten.

In dieser Arbeit wird der kommerzielle FEM Solver Abaqus verwendet, um zunächst die Bandspannungen und schließlich die Bandverformung zu berechnen. Die Berechnungen sollen anhand von Messdaten in Zusammenarbeit mit thyssenkrupp Rasselstein validiert werden.

PDF: Untersuchung des mechanischen Bandverhaltens bei der Abkühlung metallischer Bänder

Kontakt: Schleupen / Büschgens

Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung zwischen DFI-Brenner und Zylinder

Im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens zwischen dem IOB der RWTH Aachen und dem ETP der Leibniz Universität Hannover ist ein Verfahren in der Entwicklung, das zur maßgeschneiderten Erwärmung von Massivumformteilen u.a. die direkte Flammenbeaufschlagung (Direct Flame Impingement (DFI)) als Erwärmungsmethode nutzt. Auf möglichst kleinem Raum sollen (z.B. in einem Rundstab oder Hohlzylinder, siehe Abbildung) möglichst scharf getrennte Zonen unterschiedlicher Temperatur zwischen 950 °C und 1250 °C eingestellt werden.

Basierend auf dem in der Literatur dokumentierten Grundlagenwissen zur Wärmeübertragung zwischen nicht-reaktiven Prallstrahlen und Zylindern soll diese Masterarbeit helfen, die Vorgänge zu verstehen, die bei der Umströmung eines zylindrischen Körpers mit einer reaktiven Strömung ablaufen.

PDF: Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung zwischen DFI-Brenner und Zylinder

Kontakt: Bruns

Experimentelle Untersuchung der inhomogenen Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial mittels DFI

Im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens zwischen dem IOB der RWTH Aachen und dem ETP der Leibniz Universität Hannover ist ein Verfahren in der Entwicklung, das zur maßgeschneiderten Erwärmung von Massivumformteilen u.a. die direkte Flammenbeaufschlagung (Direct Flame Impingement (DFI)) als Erwärmungsmethode nutzt. Auf möglichst kleinem Raum sollen (z.B. in einem Rundstab, siehe Abbildung) möglichst scharf getrennte Zonen unterschiedlicher Temperatur zwischen 950 °C und 1250 °C eingestellt werden.

Basierend auf bereits durchgeführten Simulationen zur inhomogenen Erwärmung eines Rundstabes mit DFI-Brennern soll als nächster Schritt die inhomogene Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial an einem Versuchsaufbau experimentell untersucht werden.

PDF: Experimentelle Untersuchung der inhomogenen Erwärmung von Rund- und Vierkantmaterial mittels DFI

Kontakt: Bruns

Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Die steigenden Anforderungen der Automobilindustrie fordern eine Anpassung der Werkstoffkonzepte. Im Bereich der für den Bau der Karosserie verwendeten Bandmaterialen wird zunehmend auf Werkstoffe mit hochfesten Eigenschaften gesetzt, hierzu zählen AHSS der dritten Generation, UHSS und Aluminium 6xxx Legierungen. Diese Werkstoffe benötigen zum Erreichen ihrer mechanischen Eigenschaften neue Wärmebehandlungskonzepte. Einer der limitierenden Faktoren bezüglich der maximalen Festigkeit und dem Durchsatz in kontinuierlichen Anlagen ist die Abkühlrate. Abkühlraten von bis zu 1000 K/s sind erforderlich, um die Gefügeentwicklung zu kontrollieren.

Gasabschreckung wird in kontinuierlichen Anlagen gegenüber einer Wasserquench aufgrund der Temperaturhomogenität und Prozessstabilität bevorzugt. Um hohe Abkühlraten zu erreichen werden Prallstrahlen eingesetzt. Der Wärmeübergangskoeffizient ist bei Verwendung von Stickstoff oder Luft auf ca. 80 K/(s∙mm) begrenzt. Höhere Abkühlraten können durch Veränderung der Prozessgaszusammensetzung oder des Atmosphärendruckes erreicht werden. Zur Untersuchung dieser Einflussfaktoren wurde am IOB ein Versuchsstand konstruiert und gefertigt.

In dieser Arbeit soll der Versuchsstand optimiert und in Betrieb genommen werden. Einer der wesentlichen Schritte ist die Auslegung und Implementierung einer Regelung mittels Matlab oder Labview. Anschließend soll eine Parameterstudie zur Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken durchgeführt werden.

PDF: Entwicklung und Implementierung einer Regelung am Glühsimulator zur Untersuchung des Wärmeübergangskoeffizienten bei verschiedenen Drücken

Kontakt: Schleupen / Büschgens

Arbeitsgruppe Hochtemperaturströmungen

letzte Aktualisierung: 08.11.2019
Experimentelle Untersuchung von Prallstrahlen mittels PIV mit einem Nd-YAG Laser

Die Particle Image Velocimetry (PIV) ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern in der Strömungsmechanik. In kurzem zeitlichem Abstand werden Partikel im Fluid mit Hilfe einer CCD Kamera fotografiert. Diese werden dafür durch einen „Laser-Lichtschnitt“ gezielt belichtet. Aus den Bildern kann die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit der Partikel mit Hilfe statistischer Korrelation bestimmt werden.

In dieser Arbeit soll die Geschwindigkeitsverteilung in Luft-Prallstrahlen mit Hilfe der PIV Methode untersucht werden. Prallstrahlen sind eine effektive Methode einen hohen Wärme- oder Stofftransport zwischen einer Oberfläche und einem Fluid zu erzeugen und werden vielfältig in industriellen Anwendungen genutzt. Ein konkretes Beispiel ist die gezielte Abkühlung metallischer Bänder. Hierfür werden anlagen- und anwendungsspezifische Düsenfelder zur Erzeugung von Prallstrahlen designt, um die steigenden Anforderungen moderner Werkstoffe zu erfüllen.

Für die Berechnung/Auslegung der Eigenschaften eines Düsenfeldes bzw. einzelner Prallstrahlen werden numerische Strömungssimulationen (CFD) verwendet. Hier muss häufig auf die Abbildung von Prallstrahlen durch vereinfachende Turbulenzmodelle zurückgegriffen werden, da diese auch in absehbarer Zeit nicht kosteneffizient durch sehr rechenaufwendige LES oder DNS Simulationen abgebildet werden können. Die Verwendung vereinfachter Modelle ist mit einem erhöhten Validierungsbedarf verbunden, um die Gültigkeitbereiche der Modelle zu erforschen und ggf. durch zusätzliche Modellentwicklungen zu verbessern.

In dieser Arbeit soll daher zum einen ein Versuchsstand entwickelt, konstruiert und aufgebaut werden, in dem verschiedene Prallstrahlfelder mittels der PIV untersucht werden können. Zum anderen sollen ausgewählte Prallstrahlen in dem Versuchsstand vermessen werden. In Kombination mit Wärmestrommessungen, welche auch am Institut durchgeführt werden, bilden diese Messungen eine solide Datenbasis für die Entwicklung, Modifizierung und Validierung numerischer Modelle. Im Anschluss an die Arbeit ist eine Hiwi-Tätigkeit gerne gesehen.

PDF: Experimentelle Untersuchung von Prallstrahlen mittels PIV mit einem Nd-YAG Laser

Kontakt: Schleupen / Schubert

Simulation der Joulschen Erwärmung im Elektroschlacke-Umschmelz Prozess im Wechselstrombetrieb

Das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) ist ein Prozess, welcher häufig in der Herstellung von Superlegierungen oder Stählen mit sehr hohen Qualitätsanforderungen eingesetzt wird. Für die weitere Erforschung und Verbesserung des Verfahrens bzw. der Prozessführung eine genaue Kenntnis der im Prozess ablaufenden Phänomene nötig. Hierfür sind genaue Kenntnisse über die eingesetzten Materialien, als auch über die im Prozess ablaufenden Strömungs- und Temperaturphänomene erforderlich. Durch die rauen Prozessbedingungen bilden Simulationen bisher die einzige Möglichkeit diese Phänomene zu quantifizieren. Diese Simulationen sind in der Regel Multiphysik-Simulationen, welche Mehrphasenströmung, Erstarrung und Aufschmelzen der Elektrode bzw. des fertigen Ingots abbilden können. Aus numerischen Gründen ist es sinnvoll die Berechnung der Stromverteilung und Erwärmung bei einem Wechselstromprozess durch die Finite Element Methode zu berechnen, während die Mehrphasenströmung und Temperaturverteilung mit Hilfe der Finiten Volumen Methode berechnet wird. Für eine 3D-Berechnung des ESU Prozesses ist jedoch eine sehr effektive Kopplung zwischen den Methoden notwendig. Diese ist Momentan mit kommerzieller Software nicht umsetzbar, daher soll ein Modell der Stromverteilung und Joulscher Erwärmung in der Open Source Finite Elemente Bibliothek MFEM umgesetzt werden, welche deutlich flexibler mit bestehenden Modellen koppelbar wäre. Ziel der Arbeit ist es ein funktionierendes Modell zu implementieren und dieses für 2-3 Testfälle mit der kommerziellen Software ANSYS Maxwell zu vergleichen.

PDF: Simulation der Joulschen Erwärmung im Elektroschlacke-Umschmelz Prozess im Wechselstrombetrieb

Kontakt: Schubert

Physikalische Simulation von Blasenverteilungen in Impeller getriebenen Strömungen bei Entgasungsprozessen

Das Entgasen von Aluminiumschmelzen, welches hauptsächlich der Reduzierung des Wasserstoffanteils in der Schmelze dient, ist ein wichtiger Schritt in der Prozesskette diverser Aluminium Legierungen. Die Schmelze wird hierbei durch ein sogenanntes Spülgas (hauptsächlich Argon) gereinigt. Das Spülgas wird dabei in die Schmelze eingedüst, ein Impeller dient sowohl der Verteilung des Spülgases in der Schmelze als auch der Verkleinerung der sich ausbildenden Gasblasen. Der Entgasungsprozess ist diffusionsgetragen, daher verbessern Aufenthaltsdauer sowie eine gute räumliche Verteilung der Spülgasblasen die Effektivität des Prozesses. Während des Prozesses läuft die Schmelze in der Regel kontinuierlich durch die sogenannte Entgasungsbox. Eine Optimierung der Impellerströmung ermöglicht daher entweder eine verbesserte Produktqualität oder einen höheren Durchsatz.

In dieser Arbeit soll die Impellerströmung und Blasenverteilung in einem Wassermodell untersucht werden. Ziel ist es eine Datengrundlage zur Untersuchung der Übertragbarkeit von CFD-Simulationsergebnissen zu dem physikalischen Modell zu schaffen, um die Anwendung der CFD Modelle auf den Realprozess indirekt zu validieren.

Die Arbeit besteht aus Aufbau und Inbetriebnahme der rotierenden Impeller-Vorrichtung und der Gaszufuhr, als auch der Durchführung von Messungen mittels Messmethoden wie z.B. Particle Image Velocimetry (PIV). PIV Methoden erlauben eine Untersuchung von Strömungen durch die automatisierte statistische Auswertung von Laserschnittaufnahmen.

PDF: Physikalische Simulation von Blasenverteilungen in Impeller getriebenen Strömungen bei Entgasungsprozessen

Kontakt: Eickhoff

Simulation des Elektrodenschmelzens im Elektro-Schlacke-Umschmelz Prozess

Das Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESU) ist ein Prozess, welcher häufig in der Herstellung von Superlegierungen oder Stählen mit sehr hohen Qualitätsanforderungen eingesetzt wird. Für die weitere Erforschung und Verbesserung des Verfahrens bzw. der Prozessführung ist eine genaue Kenntnis der im Prozess ablaufenden Phänomene nötig. Durch die rauen Prozessbedingungen bilden Simulationen bisher die einzige Möglichkeit diese Phänomene detailliert zu quantifizieren. Hierbei kann zum Beispiel das Verhalten der Tropfen beim Abschmelzen der Elektrode mittels Multiphysik-Simulationen, welche Stromfluss, Erwärmung, Mehrphasenströmung und Aufschmelzen der Elektrode abbilden können, bestimmt werden.

In dieser Arbeit soll die Auswirkung verschiedener physikalischer Parameter und Modellansätze ebenso wie die Auswirkung des numerischen Netzes auf das simulierte Abtropfverhalten beim Elektrodenschmelzen untersucht werden. Hierbei steht insbesondere die Mehrphasenströmungssimulation im Fokus der Untersuchung.

Im Laufe der Arbeit wirst du sowohl die kommerzielle Software ANSYS Fluent als auch die Open-Source Lösung OpenFOAM kennenlernen und einen vertiefenden Einblick in die numerische Strömungssimulation erhalten. Die Untersuchungen werden an bestehenden CFD Modellen durchgeführt und sollen später unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden.

PDF: Simulation des Elektrodenschmelzens im Elektro-Schlacke-Umschmelz Prozess

Kontakt: Schubert

Messsysteme zur Überwachung des Verschleißzustandes der Ausmauerung von Aluminium-Schmelzöfen

Die feuerfeste Ausmauerung von Schmelzöfen in der metallurgischen Industrie unterliegt kontinuierlich korrosiver und abrasiver Belastung. Die isolierende Ofenausmauerung verschleißt dabei z.B. durch chemische Reaktionen mit der Schmelze, sodass sie in gewissen Wartungsintervallen teilweise oder komplett erneuert werden muss. Da der Verschleiß verhältnismäßig ungleichmäßig über die Ofeninnenwand verteilt ist (z.B. verstärkte Abnutzung der Ausmauerung im Bereich der Schmelzbad-Oberfläche) und zudem auch stark von den erschmolzenen Legierungen abhängt, ist eine Instandsetzung nach striktem Zeitplan nicht sinnvoll. Üblicherweise erfolgt die Beurteilung des Zustandes der Ausmauerung soweit möglich auf Basis punktueller Sichtprüfung und durch erfahrene Mitarbeiter. Da ein Durchbruch der Ausmauerung und das damit verbundene Auslaufen von flüssigem Metall unbedingt vermieden werden muss, werden kritische Bereiche der Ausmauerung eher zu früh als zu spät ausgetauscht. Dies ist jedoch zwangsläufig mit einer nicht optimalen Ausnutzung der Lebensdauer der Ausmauerung und daher mit finanziellen Verlusten verbunden.

Eine zuverlässige und objektive Überwachung des Zu-stands der Ausmauerung würde dies vermeiden, menschliche Fehlbeurteilungen ausschließen und so ein großes Potential für Wirtschaftlichkeitssteigerungen eröffnen.

Verschiedene kommerzielle Anbieter haben innovative optische oder sensorbasierte Systeme zur Überwachung des Zustands der Ausmauerung in diversen Anwendungen auf dem Markt.

Im Rahmen dieser Masterarbeit soll ein Überblick über die verschiedenen verfügbaren Systeme gegeben, die jeweilige Leistungsfähigkeit (Einsetzbarkeit in der Aluminiumindustrie sowie Grenzen der Messtechnik) geprüft und gegebenenfalls ein neues maßgeschneidertes Konzept skizziert werden.

PDF: Messsysteme zur Überwachung des Verschleißzustandes der Ausmauerung von Aluminium-Schmelzöfen

Kontakt: Bruns

Optimierung von metallurgischen Spülgasprozessen anhand experimenteller Untersuchungen der Blasengrößenverteilung

Bei der Raffination von Stahl, Aluminium und vielen weiteren Metallen wird der schwerkraftinduzierte Aufstieg von Gasblasen ausgenutzt, um eine Homogenisierung der Schmelze bzw. Reinigungswirkung zu erzielen. Die Wirksamkeit der Durchmischung und der Entfernung von nichtmetallischen Einschlüssen ist dabei stark abhängig von der Größe der Gasblasen. Eine Modifikation derselben könnte also die Prozesseffizient positiv beeinflussen. Daher soll im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss verschiedener Düsengeometrien auf die Blasengrößenverteilung untersucht werden. Dabei können sowohl bestehende Düsenformen analysiert, als auch neue Designkonzept entwickelt werden. Die Messergebnisse sollen im Anschluss mit verschiedenen Prozessparametern korreliert werden.

PDF: Optimierung von metallurgischen Spülgasprozessen anhand experimenteller Untersuchungen der Blasengrößenverteilung

Kontakt: Haas

Experimentelle Messung der Mischungszeit im Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5

Um höchsten Werkstoffanforderungen zu genügen erfordern moderne Stahlprodukte eine steigende Reinheit. Gleichzeit bedingt die wachsende Konkurrenzsituation einen zunehmenden Kostendruck. Daher müssen bestehende Prozesse kontinuierlich optimiert werden. Ein probates Mittel hierfür ist die Messung von Mischungszeiten im realen Prozess oder in geeigneten Wassermodellen. Dabei wird ein Tracer kontinuierlich oder impulsartig in den Prozess geleitet und dessen Konzentration gemessen. Wird anschließend die gemessene Mischungszeit mit dem untersuchten Prozessparameter korreliert können Empfehlungen für eine geeignete Prozessfahrweise ausgesprochen werden.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit soll die Mischungszeit in einem Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5 in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern ermittelt werden. Dabei sollen Empfehlungen hinsichtlich des Versuchsaufbaus umgesetzt werden, die im Rahmen einer vorrangegangenen Bachelorarbeit vorgeschlagen wurden. Im untersuchten Prozess wird Argon in ein schmelzflüssiges Stahlbad geleitet, wodurch eine Durchmischung der Schmelze erreicht wird. Diese Rührwirkung gewährleistet einerseits eine homogene Temperatur- und Stoffverteilung, andererseits eine Entfernung von nichtmetallischen Verunreinigungen aus dem Stahl.

PDF: Experimentelle Messung der Mischungszeit im Wassermodell einer 185 t Stahlgießpfanne im Maßstab 1:5

Kontakt: Haas

Arbeitsgruppe Energie- und Stoffbilanzen

letzte Aktualisierung: 22.10.2019
Ökologische Untersuchung der Aluminium-, Stahl- und Bleiherstellung mithilfe vergleichender Ökobilanzen

Die Herstellungs- und Verarbeitungsmengen von Metall nehmen weltweit zu. Dies gilt insbesondere für die Produktion der Bau- und Konstruktionswerkstoffe Aluminium und Stahl, aber auch für die metallurgische Gewinnung von Blei, welches u.a. im Rahmen der Batterieherstellung eingesetzt wird. In Europa werden große Mengen an Energie und Ressourcen verbraucht, um jährlich Millionen Tonnen von Materialien zu produzieren. Insbesondere bei der Metallherstellung werden Abfälle aus Altgeräten recycelt und als Sekundärrohstoffe in den Prozessen verwendet. Die Verwendung von Schrott ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch vorteilhaft, da sie die Erschöpfung natürlicher Ressourcen reduziert und Deponien mit Abfallstoffen vermeidet. Zudem werden die Energieverbräuche und CO2-Emissionen der Reduktionsprozesse von Metallerzen durch die Verwendung von recycelten Materialien als Ausgangsmaterial reduziert oder sogar ganz vermieden. Die Metallproduktionsanlagen sehen sich jedoch einer zunehmenden Variabilität der Material- und Energierohstoffe gegenüber.

Aus diesem Grund sollen im Rahmen dieser Arbeit die Produktionsrouten der Aluminium-, Stahl- und Bleiindustrie untersucht und ökologisch bewertet werden. Auf diese Weise können Prozessabläufe optimiert und Einsparpotenzial sichtbar gemacht werden. Dazu sollen ausgewählte Prozesse betrachtet und mittels einer Ökobilanz nach DIN ISO 14044 untersucht werden. Abschließend werden die methodologischen Ansätze der Ökobilanzierung in Bezug auf die drei Produktionsrouten gegenübergestellt und verglichen.

PDF: Ökologische Untersuchung der Aluminium-, Stahl- und Bleiherstellung mithilfe vergleichender Ökobilanzen

Kontakt: Reichel

Betrachtungen zum Einsatz von direkt reduziertem Eisen aus der Wasserstoffroute im Elektrolichtbogenofen

Aktuell gibt es zahlreiche Konzepte großer Stahlhersteller einen großen Teil der Stahlerzeugung von der Hochofen-Konverter-Route auf eine Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route umzustellen. Ziel all dieser Konzepte ist es, einen großen Beitrag zur Dekarbonisierung der Stahlherstellung zu liefern. Dazu ist geplant, im Direktreduktionsverfahren Wasserstoff als Reduktionsmittel zu verwenden.

Auch derzeit gibt es bereits einige Länder, die einen großen Teil ihrer Stahlproduktion über die Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route abdecken. Hier kommt allerdings bisher in der Regel Erdgas als Reduktionsmittel zum Einsatz. Zum Einschmelzen von direkt reduziertem Eisen (DRI) in Lichtbogenöfen liegen daher bereits viele Informationen vor. Welche Konsequenzen ergeben sich aber aus dem Wechsel von Erdgas zu Wasserstoff als Reduktionsmittel für die DRI-Eigenschaften und Qualität und das Einschmelzen im Lichtbogenofen?

Diese Frage soll im Rahmen der Arbeit zunächst mit Hilfe einer Literaturrecherche betrachtet werden. Neben der Literatur zu den Direktreduktionsverfahren auf Erdgas- und Wasserstoffbasis (Midrex, Circored, etc.) ist auch die Literatur zum Einschmelzen von DRI zu sichten. Ergänzt werden soll die Literaturstudie durch eine Recherche zu Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und dem damit verbundenen Energiebedarf.

Im Analyseteil der Arbeit sollen mögliche Einflüsse sich ändernder Qualität von H2-DRI auf die Prozesse im Hochleistungslichtbogenofen betrachtet und diskutiert werden.

Ebenfalls betrachtet werden soll der Gesamtenergiebedarf für die Direktreduktion-Lichtbogenofen-Route, wenn ein Großteil der deutschen oder europäischen Stahlproduktion auf diese Herstellungsroute umgestellt wird.

PDF: Betrachtungen zum Einsatz von direkt reduziertem Eisen aus der Wasserstoffroute im Elektrolichtbogenofen

Kontakt: Echterhof

Statistische Untersuchung der Schrottzusammensetzung auf der Basis von Chargendaten der Elektrostahlerzeugung

Die Schrottanalyse ist nach wie vor die große Unbekannte bei der schrottbasierten Herstellung von Stahl im Elektrolichtbogenofen. Auch wenn Schrott sortiert und klassifiziert wird, fehlt vielen Stahlwerken eine Schrottanalyse als Basis für metallurgische Berechnungen und Prozessmodelle. Ein möglicher Ansatz zur näherungsweisen Bestimmung der historischen Schrottzusammensetzung ist der Einsatz statistischer Verfahren auf der Basis von vorhandenen Chargendaten.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen zunächst die bereits existierenden und publizierten Ansätze zur statistischen Bestimmung der Schrottzusammensetzung recherchiert und dargestellt werden.

In einem zweiten Schritt soll unter Verwendung von Chargendaten eines Elektrolichtbogenofens ein eigener/angepasster Ansatz entwickelt und getestet werden. Neben den statistischen Methoden sollen hier insbesondere auch Prozesswissen und ergänzende Daten aus Massenbilanzen in die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Schrottzusammensetzung einfließen.

Dabei soll ein Teil des Datensatzes für die Entwicklung des neuen Verfahrens und ein anderer Teil des Datensatzes für dessen Validierung verwendet werden. Die Vorhersagequalität des Verfahrens ist im Vergleich zu anderen Verfahren aus der Literatur kritisch zu bewerten.

PDF: Statistische Untersuchung der Schrottzusammensetzung auf der Basis von Chargendaten der Elektrostahlerzeugung

Kontakt: Echterhof

Energiewende am Lichtbogenofen

Neben der Hochofen-Konverter-Route stellt das Elektrostahlverfahren im Lichtbogenofen (LBO) die wichtigste Stahlerzeugungsroute dar. Das physikalische Verständnis des Einschmelzprozesses im LBO spielt für eine weitere energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Modelle und Simulationen können dazu beitragen, Prozessabhängigkeiten zu untersuchen und zusammenhänge besser zu verstehen.

Grundlage der Arbeit ist ein am IOB entwickeltes Prozessmodell für den Lichtbogenofenprozess. Es liegen Messwerte von einem industriellen LBO vor, die zur Erstellung von Fahrdiagrammen für die Simulation und zur Validierung der berechneten Ergebnisse dienen. Darüber hinaus können Fahrdiagramme für verschiedene Szenarien selbst erstellt und mit dem Modell simuliert werden.

Im Kontext der Energiewende nehmen Preisschwankungen für die verschiedenen am LBO eingesetzten Energieträger (Strom, Erdgas, Kohle, Sauerstoff) zu. Gleichzeitig kann die Bereitstellung von Regelleistung im Stromnetz zusätzlich vergütet werden und gegebenenfalls müssen zusätzliche Kosten durch CO2 Zertifikate berücksichtigt werden. Im Rahmen der Arbeit sollen zunächst durch eine Literaturrecherche und einfache Beispielrechnungen die prozessbedingten Grenzen für den Einsatz der verschiedenen Energieträger am LBO und die dabei anfallenden Kosten abgeschätzt werden. Basierend darauf sollen Szenarien und Fahrdiagramme entwickelt und durch das Modell auf ihre Eignung geprüft werden. Somit soll bestimmt werden, welche Eingriffe in den Prozess möglich sind um die verschiedenen Energieträger flexibler einzusetzen und teilweise zu substituieren um auf kurzfristige Preisänderungen zu reagieren. Außerdem soll abgeschätzt werden, welche ökonomischen und ökologischen Auswirkungen dadurch entstehen.

PDF: Energiewende am Lichtbogenofen

Kontakt: Hay

Thermodynamische Untersuchung und Optimierung des Abgassystems an einem Kupolofen

Die Firma Georg Fischer Automobilguss betreibt am Standort Singen einen der größten Kupolöfen Europas mit einer durchschnittlichen Schmelzleistung von 75t Flüssigeisen pro Stunde.

Im Rahmen dieser Arbeit soll das Abgassystem des Kupolofens bei Georg Fischer in Singen untersucht und Möglichkeiten für eine Optimierung des Systems aufgezeigt werden. Dazu ist im Hinblick auf die Steuerung der Kühlkreisläufe, Absaugleistungen, Kühl- und Verbrennungsluftmengen sowie die Dimensionierung des Abgassystems und nachgelagerter Aggregate wie Filter etc. zunächst der Ist-Zustand aufzunehmen und vorhandene Betriebsdaten zu sichten.

Auf der Basis der Betriebsdaten soll in einem folgenden Schritt ein Modell des Abgassystems entwickelt werden, das die im Abgassystem ablaufende Prozesse (Abgasnachverbrennung, Wärmetauscher, etc.) abbildet und für verschiedene Prozesszustände des Kupolofens simulieren kann.

Im Anschluss daran soll auf der Basis des Modells ein Konzept für die optimale Auslegung des Abgassystems erstellt werden.

PDF: Thermodynamische Untersuchung und Optimierung des Abgassystems an einem Kupolofen

Kontakt: Echterhof

Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Neben der Hochofen-Konverter-Route stellt das Elektrostahlverfahren im Lichtbogenofen (LBO) die wichtigste Stahlerzeugungsroute dar. Das physikalische Verständnis des Einschmelzprozesses im LBO spielt für eine weitere energetische Optimierung eine wichtige Rolle. Modelle und Simulationen können dazu beitragen, Prozessabhängigkeiten zu untersuchen und Zusammenhänge besser zu verstehen.

Grundlage der Arbeit ist ein am IOB entwickeltes Prozessmodell für den Lichtbogenofenprozess. Es liegen Messwerte von einem industriellen LBO vor, die zur Erstellung von Fahrdiagrammen für die Simulation und zur Validierung der berechneten Ergebnisse dienen. Im Rahmen eines laufenden Forschungsprojektes werden Daten von zwei weiteren Stahlwerken zur Verfügung gestellt.

Diese Messdaten sollen im Rahmen der Arbeit aufbereitet und in das Modell integriert werden. Gegebenenfalls müssen dazu auch Anpassungen an der Modellierung vorgenommen werden. Die vom Modell errechneten Ergebnisse sollen mit Messungen verglichen und interpretiert werden. Anhand der erzielten Ergebnisse sollen Vorschläge zur Verbesserung des Prozessmodells erarbeitet werden.

PDF: Validierung und Optimierung eines Elektrolichtbogenofen Prozessmodells anhand realer Prozessdaten

Kontakt: Hay